8.5. Повна дисперсія та смуга пропускання оптичного волокна

Повна дисперсія оптичного волокна включає всі види дисперсій розглянуті вище і визначається за формулою:

Основною причиною розширення імпульсів в одномодових волокнах є хроматична дисперсія. Поляризаційна модова дисперсія на порядок менша за хроматичну дисперсію і, тому, її приймають до уваги тільки тоді, коли хроматична дисперсія є мінімізована. У загальному випадку дисперсія одномодових волокон визначається за формулою:

У багатомодових ступінчастих і градієнтних волокнах при великих значеннях нормованої частоти V фазові швидкості більшості мод наближаються до c/n1 і, тому, хвилеводною дисперсією можна знехтувати. Відповідно,

8.6. Методи мінімізації дисперсії

Методи мінімізації дисперсії, які були розглянуті вище, полягали у використанні профільованих показників заломлення, довжини хвилі з нульовою дисперсією, зміщенні довжини хвилі нульової дисперсії за рахунок хвилеводної складової в область робочих довжин хвиль, створенні згладженої дисперсійної характеристики з ненульовою, проте малою дисперсією. Всі ці методи вже є реалізовані в існуючих оптичних волокнах. Однак, існує також можливість “прямої компенсації дисперсії” з використанням різних пристроїв. Наприклад, для мінімізації хроматичної дисперсії одномодового волокна дуже широко використовують спеціальні волокна DCF (Dispersion Compensating Fiber), які компенсують дисперсію, а також чірповані волоконні гратки Брегга (a chirped fiber Bragg grating).

8.6.1. Волокна, які компенсують дисперсію (dcf)

Хроматична дисперсія накопичується переважно лінійно із збільшенням довжини шляху у волокні. Це полегшує її компенсацію. Якщо додати до волоконно-оптичної лінії волокно з великою дисперсією, коефіцієнт якої має протилежний знак, а величина приблизно рівна тій, що накопичилась в робочій лінії, то практично можна компенсувати цю дисперсію. Спеціальні компенсуючі волокна DCF можуть мати дисперсійний коефіцієнт на рівні –200 пс/(нм·км). Довжина таких волокон повинна бути якомога коротшою і визначається за формулою:

де L1 – довжина волоконно-оптичної лінії, L2 – довжина компенсуючого волокна DCF, D1 – коефіцієнт дисперсії робочого волокна, D2 – коефіцієнт дисперсії компенсуючого волокна DCF.

При використанні DCF волокон виникає ряд проблем:

1) волокно DCF вносить значно більші оптичні втрати ніж робоче волокно;

2) довжина DCF волокна має бути приблизно рівною 1 км, щоб компенсувати дисперсію в робочому волокні довжиною 10–12 км;

3) через менший діаметр модового поля оптична інтенсивність всередині DCF волокна вища при заданій вхідній потужності, що приводить до зростання рівня нелінійних ефектів.

8.6.2. Компенсатори на основі волоконних брегівських ґраток

Інший спосіб компенсації хроматичної дисперсії ґрунтується на використанні волоконних ґраток Брегга. Волоконна ґратка Брегга являє собою відрізок одномодового волокна з періодичною модуляцією показника заломлення матеріалу його серцевини в напрямку оптичної осі. Така волоконна ґратка працює як вузькосмуговий фільтр, який відбиває світлові хвилі вузької спектральної області і пропускає всі решта. Центральна довжина хвилі спектру відбивання брегівської ґратки, яка називається довжиною хвилі Брегга λБ, є функцією періоду ґратки Λ та ефективного показника заломлення моди Nеф і визначається за формулою:

Принцип компенсації хроматичної дисперсії одномодового волокна полягає у створенні різних часових компенсуючих затримок для різних довжин хвиль. Наприклад, при використанні стандартного одномодового волокна у третьому вікні прозорості кварцу, короткохвильові складові оптичного імпульсу поширюються швидше ніж довгохвильові. В результаті цього, на виході волокна хвилі довгих довжин будуть відставати від хвиль коротких довжин, що проявляється у розширенні імпульсу. Для того, щоб звузити розширений у такий спосіб імпульс, необхідно пропустити його через додаткову лінію затримки, яка б створювала більші затримки для коротких хвиль і менші (або взагалі без затримок) для довгих хвиль. В якості такої лінії може бути використана чірпована волоконна брегівська ґратка, період якої лінійно змінюється по довжині ґратки. Оскільки період такої ґратки неоднаковий в різних її точках, то довжина хвилі Брегга буде різною у різних точках такої ґратки. Отже, якщо через таку ґратку пропустити оптичний імпульс, то різні частотні складові цього імпульсу будуть відбиватися у різних точках ґратки і як наслідок будуть отримувати різні часові затримки. Принцип компенсації хроматичної дисперсії з допомогою чірпованої волоконної брегівської ґратки ілюструє рис.8.9.